สิ่งที่นาฬิกาทุกเรือนต้องมี

นาฬิกาไม่ได้วัดเวลาแบบเดียวกับที่ไม้บรรทัดวัดความยาว เพราะไม่มีอะไรให้เอาไปทาบกับ “หนึ่งวินาที” สิ่งที่นาฬิกาทำจริง ๆ คือ นับสิ่งที่เกิดซ้ำด้วยจังหวะคงที่ แล้วแสดงจำนวนที่นับได้

“สิ่งที่เกิดซ้ำ” นั้นอาจเป็นตุ้มน้ำหนักที่แกว่ง ล้อที่หมุน คริสตัลที่สั่น หรืออะตอมที่สั่น ไม่ว่าจะเป็นอะไร นาฬิกาทุกเรือนทั้งแบบโบราณและสมัยใหม่ล้วนสร้างจากส่วนประกอบสี่อย่างเดียวกัน:

• ออสซิลเลเตอร์: สิ่งที่เกิดซ้ำ มันเคลื่อนที่แบบเดิมซ้ำแล้วซ้ำอีก และเป็นส่วนที่กำหนดจังหวะ
• ตัวนับ: สิ่งที่รวบรวมจำนวนครั้งที่เกิดซ้ำ (เช่น เฟืองที่มีฟัน หรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์)
• แหล่งพลังงาน: ตุ้มน้ำหนักที่ตกลงมา สปริงขด หรือแบตเตอรี่ เพราะออสซิลเลเตอร์จริงทุกชนิดจะสูญเสียพลังงานเล็กน้อยทุกครั้งที่แกว่ง และจะหยุดทำงานหากไม่ได้รับพลังงานเพิ่ม
• หน้าปัดหรือจอแสดงผล: เข็มบนหน้าปัด หรือตัวเลขบนหน้าจอ ซึ่งเปลี่ยนจำนวนที่นับได้ให้เป็นชั่วโมง นาที และวินาที

ระยะเวลาของการทำซ้ำหนึ่งรอบเรียกว่า คาบ เขียนแทนด้วย T และวัดเป็นวินาที จำนวนครั้งที่เกิดการทำซ้ำในแต่ละวินาทีเรียกว่า ความถี่ เขียนแทนด้วย f และวัดเป็นเฮิรตซ์ (Hz) ทั้งสองอย่างนี้เป็นการพูดถึงสิ่งเดียวกันในสองรูปแบบ:

f = 1 / T และ T = 1 / f

การแกว่งหนึ่งครั้งที่ใช้เวลา 0.5 s มีความถี่เท่ากับ 1 / 0.5 = 2 Hz: แกว่งสองครั้งในทุกวินาที การแกว่งช้า ๆ ที่ใช้เวลา 2 s มีความถี่ 0.5 Hz จำตัวเลขสองตัวนี้ไว้: ลูกตุ้มที่มีคาบ 2 s เรียกว่า "ลูกตุ้มวินาที" อันโด่งดัง เพราะมันแกว่งหนึ่งครั้งในแต่ละวินาที (ครั้งหนึ่งตอนแกว่งออก และอีกครั้งตอนแกว่งกลับ)

ประวัติศาสตร์ของนาฬิกาส่วนใหญ่ก็คือประวัติศาสตร์ของการพัฒนาออสซิลเลเตอร์ให้ดีขึ้น นี่คือกลุ่มออสซิลเลเตอร์ที่คุณจะได้พบในคอร์สนี้:

ความถี่ที่สูงขึ้นเพียงอย่างเดียวไม่ได้ทำให้นาฬิกาดีขึ้น แต่ทำให้คุณแบ่งเวลาออกเป็นช่วงย่อย ๆ เพื่อนับได้ละเอียดขึ้น และออสซิลเลเตอร์ที่ดีที่สุดก็ยังเก่งมากในการ รักษา จังหวะของตัวเองให้คงที่

คำหนึ่งคำสำหรับคุณสมบัติสุดท้ายนี้คือ Q หรือ ตัวประกอบคุณภาพ ออสซิลเลเตอร์ที่มีค่า Q สูงจะส่งเสียงก้องอยู่นานก่อนจะค่อย ๆ เบาลง เหมือนระฆังที่ดีเมื่อเทียบกับเสียงทึบ ๆ มันสูญเสียพลังงานในการแกว่งแต่ละครั้งน้อยมาก ดังนั้นการผลักเบา ๆ และการรบกวนเล็ก ๆ จึงเปลี่ยนจังหวะของมันได้น้อยมาก การเปลี่ยนจากลูกตุ้มไปเป็นล้อสมดุล จากนั้นเป็นควอตซ์ แล้วจึงเป็นอะตอม โดยส่วนใหญ่หมายถึงการเปลี่ยนไปใช้ Q ที่สูงขึ้นเรื่อย ๆ ตอนนี้คุณยังไม่ต้องคำนวณค่า Q แค่จำภาพระฆังที่ส่งเสียงก้องต่อเนื่องไปเรื่อย ๆ ไว้ก็พอ

ออสซิลเลเตอร์ยังเป็นสิ่งที่แยกนาฬิกาออกจาก นาฬิกาแดด ด้วย นาฬิกาแดดแสดงเวลาโดยใช้การเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ จึงใช้ได้เฉพาะตอนกลางวันและท้องฟ้าแจ่มใส และแสดง เวลาสุริยะ ซึ่งแตกต่างจาก "เวลานาฬิกา" เล็กน้อย (แล็บดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์จะอธิบายว่าทำไม) ลูกตุ้มหรือผลึกยังคงทำงานต่อไปในตอนกลางคืน ในถ้ำ บนเรือ หรือบนดวงจันทร์ ความเป็นอิสระจากสภาพอากาศและท้องฟ้านี้เองที่ทำให้นาฬิกาจักรกลมีประโยชน์มาก